環保化、小型化一二次融合的新型開關柜

新形勢下配電網運維面臨的挑戰

配電網運維對智能配電設備和物聯網技術的需求

一、智能環網柜發展趨勢

1、一二次融合的新型環網柜

按照功能差異主要分為A/B/C/D 4種。

A起到主電纜線路保護的斷路器/重合器開關柜；

B 主電纜分段用的負荷開關柜，只需要分斷正常的負荷電流；

C 環網聯絡開關柜，重點核查雙電源合閘對電網的浪涌沖擊；

D 終端自動對切線路開關柜，可以快速轉換供電網絡；

2、系統解決方案

產品系統解決方案包括：

（1）10-20KV開關柜自動化成套設備；

（2）環網柜自動化升級技術改造；

（3）物聯網應用及大數據平臺開發；

（4）開關柜電操遙控安全控制等級提升。

（5）配網線路故障精準檢測數據

3、智能環網柜技術設計方案：

柜體結構布局設計、一二次綜合布線，電纜網絡自動化和架空饋線自動化不同的控制模型及控制技術、開關柜功能標準化適當減少開關柜的種類、故障定位技術、標準化施工流程、軟件在線監測、系統安全評價，運行方式及保護整定分析、網格式供電方式電網潮流計算等內容。

（1）智能電網開關設備向高性能、小型化發展。

（2）設備配套應用向新材料，低污染發展。

（3）融合多種傳感器技術向多功能的組合電氣設備發展。

（4）產品設計模式從單個設備控制向系列成套設備發展。

（5）開關設備生產廠商從提供單體設備向用戶提供整體解決方案方向發展。

（6）“互聯網+”電力裝備工業融合創新技術大量研發應用。

4、現場施工改造方案

（1）、戶外現場施工時間長；

（2）、在現場220V電源取電困難；

（3）、現狀大部分戶外開關設備沒有專用的低壓操作箱；

（4）、采集CT指標參數不一致，信號轉換時誤差大；

（5）、配網開關柜大多采用SF6充氣式絕緣柜，若出現開關柜絕緣氣壓異常，遠程遙控操作容易造成危險事故；

（6）、設備體積過大會需要擴大外箱體受場地限制，特別是對戶外開閉所和環網柜的改造施工會遇到大麻煩；

二、解決開關柜故障檢測問題

推出電氣開關設備一二次融合集成技術，優先要解決的是故障檢測、故障遠程遙控處理問題。

1、10KV配電網用三個停電原因:

（1）是在線路突發故障造成線路停電時的操作。

（2）在對線路進行停電檢修時的操作。

（3）是在對線路的運行方式的改變而進行的轉供電時的操作。

2、本地檢測故障

不需要把故障信息傳回主站分析計算，不需要另外加裝故障指示器，也能夠進行故障定位。

3、開關柜潮流方向檢測

由于采集了電纜全部支路的電壓信息，配網自動化終端就能夠方便判斷出環網柜每一間隔的電流方向，也就是讓主站很清楚知道哪一回是進線柜，哪一回是出現柜，隨著網架接線方式的不斷變化，環網柜的進、出線數據會自動刷新，不再需要線路操作人員反復到現場核對數據。

4、各種分合閘模式下的安全操作

（1）控制器增加了開關柜絕緣氣體SF6 氣壓電子檢測和控制器自動欠壓閉鎖功能。人工現場進行分合閘操作時首先要看一下柜體SF6氣壓表，氣壓不在安全范圍內禁止操作的。環網柜改造就增加了機械和電子連鎖裝置，使人機交互操作更加安全可靠。

（2）新增的電子檢測和閉鎖功能，遠方調度也能夠像在現場一樣的操作，如果判斷不準發出了分合閘命令，現場的控制器也能夠自動對開關柜進行保護，不會因為失誤操作引起更大的事故。

5、主要安全擴展功能

開關柜分合閘操作主要10項功能。

（1）箱門被打開提示報警；

（2）PT外電電源檢測；

（3）柜體氣壓過低檢測報警；

（4）后備電源的蓄電池電壓欠壓檢測閉鎖；

（5）故障禁止操作自動閉鎖保護；

（6）遠方、本地信息按回路轉換；

（7）分、合閘電流潮流方向的同向檢測；

（8）接地刀檢測；

（9）相過流故障檢測、接地故障檢測

（10）斷線/缺相、三相不平衡、相序自動檢測。

三、提高設備的運維質量與效率。

1、集成一體化制造

（1）優化了箱體結構。采取前后開門增高頂板等新結構、新工藝。解決設備安裝和檢修的問題。

（2）是解決現場PT電壓互感器取電,解決了大功率長時間連續供電的問題。

（3）是解決每回路電壓采集問題。

用新型的電容式復合傳感器技術實現了電纜的電壓信息采集，智能裝置還能夠根據電壓的運行功率判斷出電流的方向。解決了電力線路的檢測信息的不完整技術難題。

（4）解決高精度電流采集質量問題。

解決了電功率和故障方向判斷的技術問題，運用采集到電流信息，推算出電流的功率角，為電網穩定的環網線路運行提供了大量的基礎數據信息。
（5）解決智能終端裝置在施工安裝困難的問題。

原來施工方法是現場零件組裝，受戶外天氣影響和工作場地的限制，給施工帶來諸多難題。經過我們的對施工流程的優化后，90%的改裝工作量放在了后臺進行，把所需的各種元器件都進行提前預置，這樣做極大方便了現場施工，也明顯提升了改裝設備的質量。

（6）是解決電操驅動電路安裝問題：

電動機控制分合閘的機械傳動部分是整個智能開關柜的核心部分，如何能準確驅動電機的轉動影響著整個開關柜的安全。我們在電動操作機構上有了創新的技術突破，不僅能夠用最可靠的電路進行控制，而且做到了無差錯安全控制，提高了操作的安全性。

2、配件技術標準統一

環網柜的一二次融合解決一二次設備的組合、裝置性更換及工廠化維修問題，以總裝廠為主導統一協調技術標準。

（1）解決了一、二次設備接口尺寸不匹配，兼容性、擴展性、互換性差等問題

（2）調解一、二次設備廠家產品質量責任糾紛。

3、故障檢測與保護功能

（1）過流保護功能檢測具有過電流保護功能，可對電流保護動作時限、相間電流定值進行設定。最少分兩段進行故障判斷，每一段的動作電流和跳閘延時均可以設定。

（2）零序電流保護功能檢測 可檢測零序電流，具有零序電流保護功能，動作電流和跳閘延時均可以設定。

（3）零序電壓保護功能檢測 可檢測零序電壓，具有零序電壓保護功能，動作電壓和告警時間均可以設定。

（4）重合閘保護功能檢測 可設置兩次自動重合閘功能，可根據需要設定重合閘次數以及每次重合閘延時時限。

（5）閉鎖二次重合閘功能檢測 具有閉鎖二次重合閘功能，可設定閉鎖二次重合閘時限。一次重合閘后在設定時間（可整定）之內檢測到故障電流，則閉鎖二次重合閘。

4、環網柜功能

智能型環網柜自動功能檢測

（智能型自動化邏輯功能）

（1）電纜線路故障指示器亮紅燈時，回路自動閉鎖禁止合閘操作。

（2）分閘后，線路仍然帶電自動閉鎖接地刀和電纜室前檔蓋

（3）線路出現故障時，系統操作閉鎖后是否能繼續本地解鎖

（4）兩條都是進線，在一條已經分合閘合閘后，另一條是否被禁止

（5）系統自動檢測到合環A/B/C 三相的相序不對閉鎖操作

（6）合環操作是否被自動化系統禁止操作

四、一二次融合環網柜技術特征

1、智能化設備特征

智能開關設備是將信息技術融合到傳統電氣開關設備中，以數字化信息的獲取、處理、利用和傳遞為基礎，在開放和互聯的信息模式基礎上，進一步提高電氣設備的性能指標，以及設備自身的可靠性和安全性，同時為智能電網的運行控制提供更加完善和豐富的數字化信息，以提高電網的供電系統的整體性能。

配網自動化建設需要大量的智能設備，智能設備的使用和制造離不開人，同時又是為了“解放”人，把操作人員從重復的繁重的勞動過程中解脫，用先進的控制技術提高勞動效率。

2、人機互動的技術特征

（1）、基本功能是控制和保護。

完成電網電流感知。在線實時監測電網上電壓、電流的變化，發現故障快速跳閘切斷故障電流，保護電網上變壓器及家庭的電器用電設備。增加電網智能開關設備是為了感知、判斷故障與執行線路保護功能。

（2）、中壓開關設備的智能化

智能高壓開關設備是智能電網控制的核心設備。通過在設備加裝各類傳感器，采集設備運行狀態，把采集到的模擬信號轉化成數字信息進行就地處理，或通過高速網絡交互接口，傳送到遠方控制中心再處理。

（3）運行高效性

智能化配電網自愈是指配電系統能夠及時檢測出系統故障、對系統不安全狀態進行預警，并進行相應的操作，使其不影響對用戶的正常供電或將其影響降至最小。實現配電網自愈，最基本的就是要有高效的智能化設備。

3、安全控制器

控制器（controller）是智能化環網柜的核心單元。按照預定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調速、制動和反向的主令裝置。

（1）控制器需要接收和識別上級命令：

控制中心的程序可以向控制器發送多種不同的命令，設備控制器應能接收并識別這些命令。控制器不斷向設備各種傳感器發送電子查詢，并且向上級回復執行結果。

（2）邏輯控制執行

控制器就是控制部件，而外圍設備相對控制器來說就是執行部件。控制部件與執行部件的一種聯系就是通過控制線。

（3）控制部件通過控制線向執行部件發出各種控制命令。控制部件與執行部件之間的另一種聯系就是反饋信息。執行部件通過反饋線向控制部件反映操作情況，以便使得控制部件根據執行部件的狀態來下達新的動作命令，也叫做“狀態測試”。

（4）控制器根據每個驅動電動機的功能分為：單向控制器和雙向控制器。

控制器還需要配備電機恒流控制技術：電機啟動扭轉電流和動態運行電流匹配一致，提高電機的啟動轉矩均衡，在機械齒輪故障扭矩增大情況下能對電機和整體設備做安全保護。

所以控制器要具備電流控制元件的合適選擇，能夠適用于任何一款電機，并且具有相當安全的控制效果，不再需要匹配提高了電動車控制器的普遍適應性，使電動車電機和控制器，不再需要現場的設備匹配，方便安裝和使用。

（5）控制器只要自動檢測與之相關的接口狀態，如外部開關信號等等，一旦出現故障，控制器自動實施保護，充分保證設備的安全，當故障排除后控制器的保護狀態會自動恢復。

（6）控制器要具備自動/手動操作功能一體化，根據不同的使用環境進行靈活配置。自動轉換開關控制器是一種智能雙功能切換系統。控制器的電氣聯鎖配合機械聯鎖，確保控制器參數的自動調整。

4、控制器主要功能

（1）首先將控制器的本地/遠程開關搬到本地位置上。

（2）可以用搬桿/按鈕的進行分合閘操作。

（3）人工分閘后，如果電纜上沒有帶電，控制器處在解鎖位置。

（4）本回路仍然可以進行搬桿/按鈕的分合閘操作及接地刀操作。

（5）合上接地刀后打開前蓋，可檢修電纜。

（6）如果分閘后電纜頭上仍帶電，控制器上閉鎖開關會自動鎖定。

（7）閉鎖鍵鎖定后，不能再進行電動分合和接地操作。仍可手工搬桿分合閘操作。

（8）本間隔的接地刀合不上，前蓋鎖住不能被打開。

（9）設備檢修完畢，將控制器的閉鎖按鈕搬回到解鎖位置。

（10）這是就可以進行搬桿/按鈕的分合閘操作。

（11）將控制器的本地遠程開關搬回到遠程。進入系統遠控程序。

3、開關斷路器手動操作功能

（1）閉合（close合閘）：動觸點由速動操作機構控制，對于負荷開關，除控制動觸頭運動外，無儲能功能。對于斷路器和組合式熔斷器負荷開關，當觸頭閉合同時，操作機構能同時進行貯能。
（2）斷開(open分閘)：開關斷開由同一速動操作機構的方向動作實現。斷路器和組合式熔斷器負荷開關的分斷由：按鈕操作或故障跳閘實現。
（3）接地：特殊設計的操作手柄插入操作孔閉合或打開接地觸頭，供手柄插入的孔洞被擋片鎖住，當開關處于分閘位置時，手柄孔打開；當開關處于閉合位置時，手柄孔被鎖住。接地開關與間隔前蓋實現聯鎖，只有在接地開關合閘時才能打開間隔前蓋。（4）開關裝置狀態指示器：直接安裝在操作軸的動觸頭上，開關裝置的狀態可由指示器可靠指示。
（5）操作手柄：操作手柄為防止往復操作設計，可以防止負荷開關或者接地開關合閘后馬上被再次打開。
（6）加鎖裝置：可以加1，2或3把掛鎖，防止誤操作，用于閉鎖開關或斷路器操作軸接地開關操作軸分閘按鈕
（7）接地開關閉合位置指示：位于裝置的上部，當接地開關閉合時，通過透明罩可以看到接地開關的狀態。
（8）金屬箱體由不銹鋼材料制成的密封箱體，符合IP67防護等級。安裝在各個功能單元上，作內部電纜帶電指示，符合IEC-61958技術標準。

4、環網柜（二次部分）基本電路

電動操作設備升級為自動化遠程操作設備（二次部分），需要現場人工對信號燈觀察改為信號自動采集完成。低壓采集是技術難點，通常的做法是加裝1-2臺、0.22/10kV PT 采集2條進線電纜的電壓。由于常用開關柜是4回路，并不能實現全部回路電纜的電壓測量。線路帶電指示器是依靠電纜頭電容感應分壓原理，電壓信號特別弱難以利用。

（1）線路帶電指示器

電容式電壓指示器

線路帶電時電壓指示器顯示套管是否帶電，其上的插口可用于核相。該系統帶有集成的電壓指示器（發光二極管）。對于正常的操作環境，帶電顯示裝置是推薦選擇。相位識別必須以推鑒的核相器進行。

（2）手動核相器

核相器顯示兩個模塊間的相位平衡性。要在電容性耦合系統中使用，請遵守IEC1-和／或IEC1的規定。核相器必須與推薦的電壓指示器配合使用。核相器的作用是在線路完成前確認線路連接無誤。

（3）線路故障指示器

當短路電流或零序電流高于預先設定的電流值時，裝置面板上的發光二極管會閃爍，同時有一個節點動作，供遠方遙信使用。當故障消失，經過設定的延時之后，裝置會復位（或通過節點信號輸入復位）。

5、嵌入式故障指示器

通過DTU裝置把微弱的電壓信號放大實現所要的電壓信號。DTU終端能夠根據采集的電流大小及設置的定值，判別故障電流（單相、相間、接地），據此得出故障信息，并把這些故障量送往配電網控制中心，為故障分析、判斷和負荷轉移提供依據，并配合配電控制中心，進行故障隔離和非故障區段的供電。故障信號能以遙信形式快速閉鎖裝置，以故障指示燈點亮報警。然后永久保存在DTU 裝置內，通過隨機管理軟件隨時現場讀取。

6、人機互動操作

通過把手動開關柜改裝成智能開關柜的好處主要表現在；能夠充分利用設備，延長開關柜的使用壽命周期。

開關柜技術升級改造主要包含四方面的內容：

（1）是提高開關柜技術裝備安全可靠性水平；

（2）是開關柜設備升級改造節省了投資，提高了開關柜技術附加值；

（3）是應用計算機網絡技術，優化開關柜安全操作模式模式，使配網管理跨入現代化管理軌道；

（4）是推行信息生產技術，解決故障報警和故障點定位的難題。

7、一二次融合

由于各種電器元件安裝位置不同，在構成一個完整的電氣控制系統時，就必須劃分組件。把功能類似的元件用模塊化的形式組合在一起；

(1)盡可能減少組件之間的連線數量，同時把接線關系密切的控制電器置于同一組件中；

(2)減少電壓等級采用統一的供電電壓

(3)可把外形尺寸、功能相近的電器用模塊的形式組合在一起；

(4)為了電氣控制系統便于檢查與調試，把需經常調節、維護和易損元件組合在一起。

在劃分電氣控制柜組件的同時要解決組件之間、電氣箱之間以及電氣箱與被控制裝置之間的連線方式：

電氣控制柜各部分及組件之間的接線方式一般應遵循以下原則：

(1)開關電器、控制板的進出線一般采用接線端頭或接線鼻子連接，這可按電流大小及進出線數選用不同規格的接線端頭或接線鼻子；

(2)電氣柜、控制柜、柜(臺)之間以及它們與被控制設備之間，采用接線端子排或工業聯接器連接；

(3)弱電控制組件、印制電路板組件之間應采用各種類型的標準接插件連接；

(4)電氣柜、控制柜、柜(臺)內的元件之間的連接，可以借用元件本身的接線端子直接連接；過渡連接線應采用端子排過渡連接，端頭應采用相應規格的接線端子處理。

五、智能環網柜

1、智能環網柜具備一些特點：

一二次融合的環網柜是具有感知能力，即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力，通過電壓測量互感器產生數據，經過模數轉換成有用的業務信息。智能采集活動是智能化的必要條件；

2、智能環網柜是具有記憶和思維能力，

即能夠存儲感知到的外部信息，能夠長期存儲有效信息同時能夠利用邏輯關系對故障信息進行分析、計算、比較、判斷；

3、智能環網柜是自己能夠適應環境變化；

通過開關柜各種傳感器感知設備狀態，將任何越限狀態變化情況進行控制，并且根據數據變化進行自動調整自動化開關柜就是智能環網柜。

4、智能環網柜故障檢測原理

（1）、智能環網柜是具有感知、分析、推理、決策、控制功能的先進電氣開關裝備，它是集先進制造技術、信息技術和智能技術的集成和深度融合的產物，而且是智能電網建設的必不可少的關鍵裝備。

（2）、智能環網柜能夠根據采集的電流大小及設置的定值，判別故障電流（單相、相間、接地），據此得出故障信息，并把這些故障量送往配電網控制中心，為故障分析、判斷和負荷轉移提供依據，并配合配網控制中心，進行故障隔離和非故障區段的供電。故障信號能以遙信形式快速閉鎖裝置，以故障指示燈點亮報警。然后永久保存在DTU 裝置內，通過隨機管理軟件隨時現場讀取。

3、配網自動化SCADA 方案

（1）方案架構

配網自動化解決方案，主要由配電DTU電力終端裝置， 通信傳輸終端，中心監控云平臺以及電力配網監控中心組成。

通過電力終端的信息接入，監控中心的工作人員可以實時查看各個設備的運行狀態，如有設備檢測出故障可以馬上判斷故障點。

（2）終端主要是智能環網柜，

主要包括一次回路，二次回路，開關柜，負荷開關，變壓器，繼電器，接觸器等設備。

來自智能環網柜的信息通過 數據網絡向前置機/數據服務器傳送，經主前置機/數據服務器處理、存儲后，向局域網上廣播，各工作站收到信息后進行相應處理。來自工作站的信息首先傳送到主前置機/數據服務器，由其處理后通過 數據網絡發送到環網柜。

網絡安全維護系統等都比其他電網自動化類型更加復雜，設計施工難度更大，對工程設計人員的經驗和水平要求更高，大型智能電氣設備對廠家的要求更趨向于世界一流產品。